[发明专利]一种确定水面无人艇路径的方法

说明书

本发明提供一种确定水面无人艇路径的方法,涉及船舶领域，特别是无人艇在执行指定区域内巡逻任务时，有可疑目标入侵，需要无人艇自主规划航路前去拦截，此时对无人艇的路径规划提出了短时约束的要求。无人艇在前期进行艇体的数据整理，形成性能数据库，在通过其他传感器对周围态势进行构建后，提出无人艇路径的边界条件等约束。构建的无人艇运动学模型可以对运动轨迹进行计算，对路径规划方程时间取最优解。再通过构建无人艇动力学模型，得到艇体控制参数与艇体运动轨迹的对应关系，再与运动学模型对接，可以得到艇体基于短时约束的控制参数与规划路径关系。无人艇可按照本发明的路径规划方法，通过调整艇体控制参数达到最快到达目标附近的目的。

技术领域

本发明涉及水面无人艇自主路径规划能力，特别是在有障碍物的环境态势下，寻找满足一定评价标准的路径，使其从起点安全的到达目标指定点。

背景技术

水面无人艇自主路径规划能力是评判无人艇性能的一项重要指标，即在有障碍物的环境态势下，寻找满足一定评价标准的路径，使其从起点安全的到达目标指定点，传统的路径规划方法是寻找能够遍历所覆盖区域的优解过程，且在制定航路过程中约定匀速航行。而无人艇由于其应用背景及应用场景的特殊性，会存在执行追击、拦截、驱离等高机动性、高时效性任务，需迅速自主控制航行到指定区域并可能会做出类人或超人极限驾驶动作，来更高质量的完成使命。无人艇的应用背景和历史使命等特点对无人艇的路径规划问题提出了更高的时间约束要求。现有技术中存在关于无人艇及无人飞行器有关路径规划的研究，具体现有技术方案有，针对无人艇全局路径规划问题，结合势场法结构简单、实时性良好和栅格法编码简便、易于实现的特点，设计了一种全局路径规划方法——势场动态栅格法。该方法将改进势场法与动态栅格法相结合，通过栅格动态细化的方式建立环境模型，应用改进势场法来逐步搜索最优路径，使路径精度逐步达到精度要求；再通过采用减少折线的优化处理，进一步减少中间多余的路径节点，最终使得输出路径最优。仿真实验运行结果表明该方法降低了计算复杂度，可有效避免陷入局部极小值点的问题，具有较强的全局路径规划能力。

以及，现有技术中“考虑了时间约束的无人飞行器航迹规划”在分析时间误差分配的基础上，提出了一种考虑时间约束的航迹规划方法。该方法对传统的航迹结构进行了改进，通过速度调整策略和在代价函数中加入时间约束驱使算法找到使到达目标点时间误差尽可能小的航迹同时，分别研究了起飞时间误差，速度调节能力及飞行速度误差三个因素对到达目标点时间误差的不同影响。

现有技术中技术缺陷同样存在。首先，现有技术中的路径规划中把无人艇作为一个质点，没有考虑艇体本身性能对路径规划带来的影响，对路径规划中没有加入时间约束。其次，无人飞行器航迹规划主要针对到达目标点的时间差约束，即满足到达指定目标的指定时间，没有针对航路过程的无人飞行器快速性深入研究，且无人飞行器的路径为三维立体空间位置，与无人艇的环境位置有所差异，故进行路径规划时也会有所不同。

发明内容

本发明提出了一种确定水面无人艇路径的方法，可为无人艇在执行高时效性、高机动性任务时对短时约束提供有效支撑。通过收集无人艇艇体运动数据，分析整理后形成无人艇运动性能数据库。调用海图等外部信息，定义边界等条件约束。基于运动学经验公式与艇体性能数据库，构建无人艇运动学模型，得到无人艇与艇体性能有关的路径规划方程，在短时约束即时间取最优解前提下，获得基于短时约束的路径算法。构建无人艇动力学模型，基于无人艇的艇体参数表征艇体外部载荷与艇体运动特征之间的动力学关系，即得到控制一定的转速、舵角、首向角等参数与艇体运动轨迹的对应关系。再结合短时约束的路径规划方程，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。

本发明共分以下6个部分：